Introducción a FORTRAN

Transcripción

1 Introducción a FORTRAN Miguel Alcubierre Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM Abril 2005 Índice 1. Introducción 3 2. Compilar y correr programas en FORTRAN 4 3. Elementos básicos de un programa en FORTRAN 5 4. Constantes y variables Tipos de datos Declaración de variables Conversión entre tipos Operaciones en FORTRAN 9 6. Arreglos Arreglos de tamaño fijo Asignación dinámica de memoria Funciones intrínsecas Control de flujo del programa Loops IF Control lógico de loops

2 9. Entrada y salida de datos (input/output) Unidades de entrada y salida Formato de entrada y salida Subprogramas Funciones Subrutinas Módulos

3 1. Introducción En este curso se presenta una breve introducción a FORTRAN 90, el lenguaje de programación de más amplio uso en el cómputo científico. El nombre FORTRAN proviene de FORmula TRANslator (traductor de fórmulas), y fue desarrollado originalmente por IBM en 1954, con el objetivo de poder escribir programas de cómputo científico en un lenguaje de alto nivel en vez de tener que recurrir a lenguaje de máquina o ensamblador. En 1958 se presentó una segunda versión y varias compañías comenzaron a desarrollar compiladores independientes a IBM para usar el lenguaje en otras máquinas. El primer estandard de FORTRAN se introdujo en 1962 y se llamó FORTRAN IV. En 1966 se presentó el primer estandard ANSI (American National Standards Institute), que se conoció como FORTRAN 66. El segundo estandard ANSI, con muchas mejoras, se introdujo en 1977 (FORTRAN 77), y se convirtió en el estandard utilizado por la comunidad científica por muchos años. Incluso a la fecha es común encontrar muchos programas escritos en FORTRAN 77. FORTRAN 77 tenía una serie de desventajas. Entre ellas una estructura muy rígida adaptada al uso de tarjetas perforadas ( forma fija ), que requería que ciertas columnas tuvieran usos específicos. Además, no permitía un uso dinámico de la memoria y no permitía realizar operaciones entre arreglos de números. Para mejorar esta situación, en 1990 se presentó un tercer estandard ANSI conocido como FORTRAN 90, que contenía muchas nuevas características y permitía una programación más estructurada. Una serie de cambios menores se presentaron en 1995 (FORTRAN 95), y actualmente se trabaja en un nuevo estandard ANSI (FORTRAN 2003). El día de hoy la mayor parte de los programas en FORTRAN siguen el estandard de FORTRAN 90, pero aún existe un número importante de aplicaciones de FORTRAN 77. FORTRAN esta específicamente diseñado para el cómputo científico, y no es particularmente bueno para otro tipo de aplicaciones (control, administración, manejo de documentos, etc). Para estas aplicaciones otros lenguajes somo C, JAVA o PERL son más adecuados. En la actualidad, la mayor parte del cómputo científico de alto rendimiento a nivel internacional se lleva a cabo en FORTRAN (FORTRAN esta muy lejos de ser obsoleto), aunque los lenguajes C y C++ han ganando cierta popularidad recientemente. Parafraseando a Mark Twain: Las noticias de la muerte de FORTRAN han sido enormemente exageradas. 3

4 2. Compilar y correr programas en FORTRAN Los programas en FORTRAN se escriben en un editor de texto cualquiera (vi, emacs, etcétera). Normalmente, el nombre del archivo debe llevar como sufijo.f, o.f90. A este archivo se le llama el código fuente. Una vez escrito el programa, este debe compilarse, es decir, debe ser leído por un programa llamado compilador que lo traduce a lenguaje de máquina y produce un nuevo archivo con el programa ejecutable. Algunos lenguajes de programación no usan un compilador, sino un intérprete (por ejemplo BASIC y PERL). La diferencia es que un interprete traduce y ejecuta linea por linea, sin nunca crear un archivo ejecutable. Un interprete es más transparente de usar, pero mucho más lento. FORTRAN funciona siempre con un compilador. Hay muchos compiladores diferentes, con diversas opciones al compilar (por ejemplo, algunos prefieren el sufijo.f y otros el sufijo.f90). Existe un compilador gratuito de FORTRAN 90 para Linux de producido por INTEL que puede bajarse de la red. La manera estandard de compilar un programa en FORTRAN es abrir una terminal, ir al directorio que contiene el programa, y escribir: f90 nombre1.f90 donde nombre1.f90 es el nombre del programa. Es importante notar que el comando f90 puede variar de nombre, por ejemplo el compilador de INTEL usa el comando ifc o ifortran. Pero siempre es posible hacer un alias. Al compilar el programa se obtiene un ejecutable que tiene por default el nombre a.out. Esto puede cambiarse haciendo: f90 nombre1.f90 -o nombre2 La opción -o le dice al compilador que el ejecutable debe llamarse nombre2. Para correr el programa se escribe simplemente./nombre2 donde se usa./ para indicar a Unix que debe buscar el ejecutable en el directorio local. Para programas que están contenidos en varios archivos, hay una etapa más. El compilador primero genera archivos objeto con sufijo.o que contienen la traducción a lenguaje de máquina de cada archivo individual. Después se hace una liga (link) entre los diversos archivos objeto para construir el ejecutable. 4

5 3. Elementos básicos de un programa en FORTRAN Un programa en FORTRAN tiene los siguientes elementos básicos: Nombre del programa. El nombre del programa es en realidad opcional, pero es muy buena idea tenerlo. Declaraciones de variables utilizadas en el programa. Cuerpo del programa. Comandos a ejecutar en el código. Los comandos se ejecutan en orden de aparición. El programa siempre debe terminar con el comando END. Subprogramas. El cuerpo del programa puede llamar a subprogramas que realicen tareas específicas. Es buena práctica de programación separar un programa en bloques y poner cada bloque en diferentes subprogramas. De hecho, para programas largos es buena idea tener cada subprograma en archivos separados. La estructura de un comando en FORTRAN 90 tiene las siguientes propiedades: Los comandos se escriben en lineas de a lo más 132 caracteres (aunque algunos compiladores aceptan lineas más largas). Espacios en blanco al principio de una linea se ignoran. Esto ayuda a mejorar visualmente la estructura del programa. Hay que recordar que no solo la máquina va a leer el programa, sino también seres humanos (por lo menos el autor), por lo que una estructura visualmente clara en importante. Un signo & al final de una linea indica que el comando continua en la linea siguiente. Todo lo que siga de un signo! se considera un comentario y es ignorado por el compilador. Los comentarios son para las personas, no para la máquina. Hacen más fácil de entender el programa para personas que no lo escribieron, y sirven incluso para que el autor sepa lo que hace el programa si lo vuelve a ver tiempo después. Es posible poner varios comandos en una linea separándolos con punto y coma. Importante: FORTRAN no distingue entre mayúsculas y minúsculas en un programa, también ignora más de un espacio en blanco y lineas en blanco. Que se use es cuestión de estilo personal. 5

6 Ejemplo: Programa nada. program nada! Este programa no hace nada. end program nada La primera línea dice como se llama el programa. La segunda linea es un comentario y el compilador la ignora. La última linea dice que el programa ha terminado. Ejemplo: Programa hola. program hola! Ahora vamos a saludar al mundo, hola mundo!! Aqui es donde saludamos end program hola Lo nuevo aquí es la linea:, hola mundo!. La instrucción indica imprimir en la salida estandard (es decir, la pantalla). Lo que se va a imprimir debe colocarse entre comillas después de una coma. Nótese como hay un comentario al final de la linea que el compilador simplemente ignora. 4. Constantes y variables Los programas en FORTRAN manejan datos de dos tipos: constantes y variables. Las constantes tienen un valor fijo, mientras que las variables se identifican con nombres y pueden cambiar de valor durante al ejecución del programa. Constantes y variables deben tener tipos específicos que indican al programa como almacenarlas y manejarlas Tipos de datos Los tipos de datos permitidos son los siguientes: 6

7 logical integer real Las variables lógicas solo pueden tener dos valores:.true. (verdadero) y.false. (falso). Valores enteros guardados en 4 bytes. Se indican como números sin punto decimal: 1, 2, -3, 25, etc. Valores reales guardados en 4 bytes y con 8 cifras significativas. Se indican con punto decimal, y de ser necesario el exponente de la potencia de 10 después de una E: 1., , 6.25E-10, etc. double Valores reales de doble precisión guardados en 8 bytes y con 16 cifras significativas, también se denotan por real(8). Se indican con punto decimal y el exponente de la potencia de 10 después de una D: 1.D0, D0, 6.25D-10, etc. Son muy útiles en cálculos numéricos largos, donde los errores de redondeo pueden hacer que las últimas 4 o 5 cifras significativas de un número real sean basura. quadruple Valores reales de cuádruple precisión guardados en 16 bytes y con 32 cifras significativas, también se denotan por real(16). Se indican con punto decimal y el exponente de la potencia de 10 después de una Q: 1.Q0, Q0, 6.25Q-10, etc. complex character Dos valores reales formando un par y que en operaciones matemáticas se tratan como la parte real e imaginaria de un número complejo: (1.,-2.), (1.0E0,-2.0E0). También existen versiones de doble y cuádruple precisión. Variables que corresponden a cadenas de caracteres. Al declarar una variable de este tipo se debe especificar cuantos caracteres puede tener. Estas variables deben estar contenidas en comillas: hola, abcdfe, Me llamo Luis, 128.3, etc Declaración de variables Las variables utilizadas en un programa FORTRAN deben declararse como uno de los tipos mencionados en la sección anterior. Por compatibilidad con versiones viejas de FORTRAN, se asume que aquellas variables que no han sido declaradas tienen un tipo implícito de acuerdo a la siguiente regla: variables cuyos nombres empiezan con {i,j,k,l,m,n} se asumen enteras, y todas las demás se asumen reales. El uso de declaraciones implícitas 7

8 es indeseable, pues hace más difícil detectar posibles errores de tecleo. Para evitar usar declaraciones implícitas se debe poner al principio de las declaraciones la linea: implicit none Ejemplo: Programa valores. program valores implicit none logical flag integer i real a character(30) texto i = 1 a = 2.5 texto = Estas son las variables:, texto, flag,i,a end program valores El programa anterior primero declara que no hay variables implícitas, luego declara una variable lógica, una entera, una real y una cadena de caracteres. Luego les asigna valores y las imprime a la pantalla. Nótese el uso de comillas para la variable de tipo character, y como se ha declarado como de 30 caracteres (suficientes para contener la frase Estas son las variables ). También es importante señalar el uso del operador =. Este operador no significa igual, sino que significa asignar, y sirve para asignar valores a variables Conversión entre tipos En FORTRAN es muy importante declarar las variables correctamente. Muchos errores comunes están relacionados con utilizar tipos equivocados de variables. Por ejemplo, 8

9 en operaciones entre números reales debe evitarse el utilizar variables enteras ya que fácilmente se obtendrán valores equivocados. Supongamos que se han declarado las variables i y j como enteras, y la variable x como real, y queremos calcular: x = i / j Si tenemos i=10 y j=4 el resultado será 2 y no 2.5 como uno podría esperar. Esto se debe a que la división entre números enteros siempre se considera un entero. Para evitar este tipo de errores es importante convertir un tipo de variables a otras. Esto puede lograrse con los comandos: int(),nint(,real(),dble(). Los comandos real() y dble() convierten la cantidad entre paréntesis a una variable real o de doble precisión, respectivamente. Los comandos int() y nint() convierten la cantidad entre paréntesis a un número entero, la diferencia está en que int() simplemente trunca el número, mientras que nint() lo reduce al entero más cercano. Ejemplo: Programa convertir. program convertir, 10/4, 10.0/4.0, real(10)/real(4), real(10/4), dble(10)/dble(4), int(10.7), nint(10.7), int(-3.7), nint(-3.7) end program convertir 5. Operaciones en FORTRAN Las operaciones aritméticas en FORTRAN involucran los siguientes operadores: = Asignación. Es muy importante recalcar que este operador NO significa igualdad. En FORTRAN, tiene sentido escribir lineas que algebraica- 9

10 mente son absurdas como por ejemplo: a = a + 1 Esto significa tomar la variable a, sumarle 1, y asignar el resultado de nuevo a la variable a. + Suma ( ). - Resta ( ). * Multiplicación (2.0* ). / División (2.0/ ). ** Exponenciación (2.0** ). Las operaciones se realizan en el siguiente orden: 1. Términos entre paréntesis, comenzando por los de más adentro. 2. Exponenciación. 3. Multiplicación y división de izquierda a derecha. 4. Sumas y restas de izquierda a derecha. IMPORTANTE: Igual que cuando uno hace operaciones a mano, es mucho más difícil dividir que multiplicar, por lo que resulta mucho más lento. A FORTRAN le toma mucho más tiempo calcular 5.0/2.0 que calcular 5.0*0.5. Siempre que sea posible se deben evitar las divisiones para tener un código más eficiente. 6. Arreglos FORTRAN puede almacenar en memoria vectores y matrices utilizando variables llamadas arreglos que contienen muchos elementos. Los arreglos pueden ser de cualquiera de los tipos aceptados por FORTRAN. 10

11 6.1. Arreglos de tamaño fijo La manera más directa de declarar un arreglo es dando su tamaño desde el principio. Por ejemplo, para declarar un vector de 3 componentes y una matriz de 4 por 5 se escribe: real, dimension(3) :: v real, dimension(4,5) :: m Es posible declarar arreglos con un número arbitrario de dimensiones. Por ejemplo, un arreglo de 4 índices cuyos valores van de 1 a 2 se declara como: real, dimension(2,2,2,2) :: R También se puede dar explícitamente el rango permitido para los índices: real, dimension(0:8), v1 real, dimension(2:5), v2 Esto declara al vector v1 con índices que van de 0 a 8, y al vector v2 con índices que van de 2 a 5. Existe una abreviación de la declaración de arreglos. Por ejemplo, los arreglos v,m,r de los ejemplos anteriores se pueden también declarar como: real :: v(3), m(4,5), R(2,2,2,2) Para referirse a un miembro específico del arreglo, se utilizan expresiones del tipo: a = v(1) + m(1,1) + R(1,2,1,2) Es posible también realizar operaciones con arreglos completos a la vez (esto no era posible en FORTRAN 77). Por ejemplo, si a,b,c son arreglos con las mismas dimensiones, podemos escribir: a = b+c a = b*c a = b**2 La primera operación suma uno a uno los elementos de los arreglos b y c y los coloca 11

12 en los elementos correspondientes de a. La segunda operación hace lo mismo, pero multiplicando los elementos de b y c (Ojo: esto NO es una multiplicación de matrices, sino una multiplicación elemento a elemento). La última operación eleva cada elemento de b al cuadrado y los asigna al elemento correspondiente de a. Para este tipo de operaciones es muy importante que los arreglos involucrados tengan las mismas dimensiones, o habrá un error. Ejemplo: Programa arreglos. program arreglos implicit none! Declarar vectores. real, dimension(3) :: v1,v2!declarar matrices. real, dimension (0:1,0:1) :: a,b,c! Dar componentes de v1. v1(1) = 1.0 v1(2) = 2.0 v1(3) = 3.0! Dar v2 de golpe. v2 = 4.0! Dar componentes de b. b(0,0) = 1.0 b(0,1) = 2.0 b(1,0) = 3.0 b(1,1) =

13 ! Dar la matriz c de golpe. c = 2.0! Definir a como la division de b entre c. a = b/c! Imprimir v1 completo., Vector v1:, v1! Imprimir v2 componente a componente., Vector v2:, v2(1),v2(2),v2(3)! Imprimir componente c(0,0)., Componente c(0,0):, c(0,0)! Imprimir componente b(1,1)., Componente b(1,1):, b(1,1)! Imprimir a completo., Matriz a completa:, a 13

14 end program arreglos En el ejemplo anterior se muestran declaraciones y operaciones con arreglos. Nótese que al imprimir es posible imprimir componentes individuales, o arreglos completos. En este último caso el arreglo se escribe recorriendo primero los índices de la izquierda y luego los de la derecha (al revés de lo que uno esperaría normalmente). Otro punto a notar es el comando sin nada que le siga, esto hace que FORTRAN imprima una linea en blanco Asignación dinámica de memoria En algunas ocasiones resulta útil declarar un arreglo sin asignarlo un número fijo de componentes desde el principio, y solo asignarlas después (debido por ejemplo a que se leen datos del exterior, ver sección 9). Para hacer esto, los arreglos se pueden declarar como: real, allocatable, dimension (:) :: v real, allocatable, dimension (:,:) :: m Antes de realizar cualquier operación con un arreglo de este tipo se le debe asignar memoria de la siguiente forma: allocate(v(3),m(4,5)) Al terminar los cálculos es posible eliminar esta memoria con el comando: deallocate(v,m) Esto es particularmente útil en códigos largos que utilizan mucha memoria, o en casos donde el tamaño de los arreglos depende ya sea de valores externos o de que se cumplan ciertas condiciones en el código. 7. Funciones intrínsecas FORTRAN cuenta con una serie de funciones matemáticas pre-definidas llamadas funciones intrínsecas. Una lista de algunas de ellas (no todas) es: sqrt(x) Raíz cuadrada de x. 14

15 abs(x) Valor absoluto de x. sin(x) Seno de x. cos(x) Coseno de x. tan(x) Tangente de x. asin(x) Arco-seno de x. acos(x) Arco-coseno de x. atan(x) Arco-tangente de x. exp(x) Exponencial de x (e x ). alog(x) Logaritmo natural de x. alog10(x) Logaritmo en base 10 de x. max(x,y) Máximo entre x y y. min(x,y) Mínimo entre x y y IMPORTANTE: Las funciones trigonométricas se usan siempre en radianes, y no en grados. Ejemplo: Programa intrínsecas. program intrinsecas implicit none real pi! Imprimir seno y coseno de cero., Seno y coseno de 0, sin(0.0),cos(0.0) 15

16 ! Ahora a calcular pi. Recuerden que cos(pi) = -1. pi = acos(-1.0), El valor de pi es, pi! Ya tenemos pi, ahora calcular su seno, coseno y tangente, Seno, coseno y tangente de pi, sin(pi),cos(pi),tan(pi)! Cual es la raiz cuadrada de 2?, Raiz de 2, sqrt(2.0) end program intrinsecas Cosas por notar en este ejemplo son las siguientes: FORTRAN no conoce el valor de π. En general no es buena idea definir este valor directamente, es mejor calcularlo usando funciones trigonométricas inversas para obtener mayor precisión. Nótese también que al correr este programa, el seno y la tangente de π no dan cero sino números de orden Esto es debido al error de redondeo en la última cifra significativa de los números reales. Si utilizamos doble precisión, el error será del orden Cuando uno realiza muchas operaciones numéricas, el error de redondeo se propaga y puede contaminar varias cifras decimales. Por ello es buena idea usar doble precisión para cálculos numéricos complejos. 8. Control de flujo del programa En general, un programa FORTRAN ejecuta las comandos en el orden en el que se escribieron, uno a la vez. Sin embargo, frecuentemente hay situaciones en las que esto es demasiado simple para lo que uno quiere hacer. A veces es necesario repetir una misma operación muchas veces con ligeras variaciones, y otras veces hay operaciones que solo 16

17 deben realizarse si se cumple alguna condición. Para este tipo de situaciones existen los llamados comandos de control del programa y que caen en dos tipos básicos: loops y condicionales Loops Un loop es un conjunto de instrucciones que deben realizarse muchas veces y tiene la forma estandard: do i=start,end,increment comando 1 comando 2 comando 3... end do Todos los comandos que están contenidos entre la linea do i=... y la linea end do se repiten varias veces, dependiendo de los valores de start,end,increment que deben ser enteros. la primera vez, la variable i toma el valor start. Al terminar, el valor de i se incrementa en increment, si el valor final es mayor que end el loop ya no se ejecuta de nuevo y el programa continua en el comando que siga después de end do, de lo contrario se vuelven a ejecutar los comandos dentro del loop hasta que se obtenga i>end. Nota: El indentar los comandos dentro del loop no es necesario (FORTRAN ignora los espacios extra), pero es una buena idea pues hace más fácil identificar visualmente donde comienza y termina el loop. Ejemplo: Programa fibonacci. program fibonacci! Este programa calcula los numeros de la serie! de fibonacci hasta nmax. implicit none integer i,nmax 17

18 integer jnew,jold,aux! Poner un limite. nmax = 10! Inicializar (jnew,jold). jnew = 1; jold = 1! Iniciar loop. do i=1,nmax! Imprimir elemento i de la serie., Elemento,i, de la serie de Fibonacci:, jnew! Calcular nuevo elemento de la serie. end do aux = jnew jnew = jnew + jold jold = aux end program fibonacci 8.2. IF En ocasiones uno desea que una parte del programa solo sea ejecutada si cierta condición específica se satisface. Esto se logra utilizando los condicionales, que en FORTRAN se controlan con el comando IF. La estructura de este comando es la siguiente: if (expresión lógica) then 18

19 comando 1 comando 2 else comando 3 comando 4 end if Al ejecutar esto, el programa verifica si la expresión lógica entre paréntesis después del if es verdadera. De serlo, se ejecutan los comandos siguientes. De ser falsa, se ejecutan los comandos después del else (nótese que el [else] es opcional). La expresión lógica puede utilizar cualquiera de los siguientes operadores lógicos: == Igualdad: if (i==3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.eq.: if (i.eq.3) then. > Mayor que: if (i>3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.gt.: if (i.gt.3) then. >= Mayor o igual: if (i>=3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.ge.: if (i.ge.3) then. < Menor que: if (i>3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.lt.: if (i.lt.3) then. <= Menor o igual: if (i<=3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.le.: if (i.le.3) then. /= No igual: if (i/=3) then. Una versión equivalente de este operador (que de hecho es la única válida en FORTRAN 77) es.ne.: if (i.ne.3) then..not..or. Negación lógica: if (.not.flag) then, donde flag ha sido declarada como una variable lógica. O lógico: if ((i==3).or.(i==5)) then. 19

20 .and. Y lógico: if ((i==3).and.(j==5)) then. El comando if puede simplificarse si solo hay un comando en su interior: if (i==3) comando Este comando indica que si se cumple la condición el comando indicado debe ejecutarse. También es posible tener muchas alternativas en un condicional: if (expresión lógica 1) then comando 1 else if (expresión lógica 2) comando 2 else if (expresión lógica 3) comando 3 else comando 4 end if Ejemplo: Programa condicional. program condicional implicit none! Declaramos una variable logica y una entera. logical flag integer i! Dejar un espacio para que se vea menos feo.! Contar de 1 a 20. do i=1,20 20

21 ! Estamos abajo de 10? if (i<=9) then, No hemos llegado al 10, vamos en, i! Estamos justo en 10? else if (i==10) then, Vamos justo en 10! Estamos abajo de 16? else if (i<16) then, Ya nos pasamos del 10, vamos en, i! Nada de lo anterior. else, Ya pasamos del 15, vamos en, i end if! En caso de estar en 13 avisar. if (i==13), Por cierto, ahora vamos en 13! Definir la variable logica "flag". Sera verdadera! si no estamos en 19. flag = (i /= 19)! Ahora avisar siempre que "flag" sea falsa. end do if (.not.flag), Y ahora estamos en 19! Adios 21

22 , Hey, ya acabamos! end program condicional 8.3. Control lógico de loops Es posible utilizar condiciones lógicas para controlar un loop. Esto se logra utilizando el comando do while(): do while(expresión lógica) comando 1 comando 2... end do En este caso no se cuenta con una variable entera como en el caso estandard, sino que el loop se ejecuta una y otra vez mientras la expresión lógica sea verdadera. El loop se detiene una vez que dicha expresión es falsa. Por ejemplo, el siguiente código actúa de la misma forma que un loop estandard de 1 a 10: i = 1 do while (i <=10) i = i + 1 end do CUIDADO: Con este tipo de loops se corre el riesgo de caer en un ciclo eterno, donde la condición lógica nunca deja de satisfacerse y la máquina sigue ejecutando el loop para siempre. Cuando se trabaja en una terminal uno nota esto fácilmente si el código continua mucho tiempo más del que esperábamos sin hacer aparentemente nada. En ese caso siempre se puede detener al código tecleando [CTRL C]. Pero cuando uno esta corriendo en una cola en una super-computadora se corre el riesgo de terminarse la cuota que debería haber durado un año de una sola vez, y peor aún, los encargados del sistema pueden decidir retirar los privilegios de trabajar en esa máquina ante semejante desperdicio de recursos de cómputo y falta de cuidado. 22

23 9. Entrada y salida de datos (input/output) En la mayoría de los códigos científicos es necesario dar datos desde fuera y sacar datos hacia afuera. Por default, la entrada de datos es desde el teclado y la salida es a la pantalla. La entrada y salida de datos se manejan con los comandos: read(,) write(,) Ambos comandos tienen dos argumentos, el primero de los cuales indica la unidad de entrada o salida, y el segundo el formato en el que están los datos. La versión mas simple es: read(*,*) write(*,*) Aquí, el primer asterisco indica entrada o salida estandard (teclado y pantalla respectivamente), y el segundo formato libre. El comando write(*,*) puede substituirse por la forma equivalente seguido de una coma. Ejemplo: Programa fulano. program fulano! Declarar variables. implicit none character(20) nombre! Preguntar como te llamas. write(*,*) Como te llamas?! Leer respuesta desde el teclado. 23

24 read(*,*) nombre! Saludar. write(*,*) Hola, nombre end program fulano 9.1. Unidades de entrada y salida Además de utilizar el teclado y la pantalla, los datos también pueden leerse o enviarse a un archivo. Para ello debe primero abrirse el archivo con elopen que debe tener al menos dos argumentos (puede tener varios más). El primer argumento es la unidad a la que se asigna la salida o entrada de datos, que debe ser un numero entero (comúnmente se usa 10). El segundo argumento es el nombre del archivo entre comillas (con su PATH completo si no esta en el mismo directorio que el ejecutable). Al terminar de leer o escribir se debe cerrar el archivo con el comando close cuyo único argumento es el número de la unidad. Ejemplo: Programa archivos. Para este ejemplo es necesario crear primero un archivo de datos llamado entrada.dat que contenga solo una linea con: juan,25,masculino. program archivos! Declarar variables. implicit none integer edad character(20) nombre,sexo! Abrir archivo de entrada. open(10,file= entrada.dat )! Leer datos. 24

25 read (10,*) nombre,edad,sexo! Cerrar achivo. close(10)! Abrir archivo de salida. open(11,file= salida.dat )! Escribir datos. write(11,*) Me llamo,nombre write(11,*) Tengo,edad, anios write(11,*) Mi sexo es,sexo! Cerrar archivo. close(11) end program archivos 9.2. Formato de entrada y salida En ocasiones se requiere que los datos de entrada o salida estén en un formato muy específico. El control del formato se lleva a cabo en el segundo argumento del los comandos open y close. Existen dos posibilidades: Para formatos sencillos, el formato se coloca simplemente el formato entre comillas y paréntesis dentro del segundo argumento, mientras que para formatos más complicados se coloca un número entero que identifica la linea donde está el formato. Por ejemplo, las dos opciones siguientes son equivalentes: read(10, (i4) ) m read(10,100) m 100 format(i4) En ambos casos se indica al código que debe leer un número entero de a lo más 4 dígitos de longitud i4. La ventaja del segundo método es que se puede usar el mismo 25

26 formato en más de un comando: read(10,100) i read(10,100) j read(10,100) k 100 format(i4) Los diferentes opciones de formato son: Tipo sintaxis ejemplo datos descripción integer niw 2i4 1234, -12 n es el número de enteros por leer y w el número total de caracteres contando el signo. real nfw.d 2f , n es el de reales por leer, w es el número total de caracteres incluyendo el punto decimal y el signo, y d es el número de cifras después del punto. n es el de palabras por leer y w character naw 2a6 abcdef, qwerty el número de caracteres en cada palabra. espacios nx 2x n es el número total de espacios. en blanco por leer Ejemplo: Programa seno. program seno! Declarar variables. implicit none integer i real x,s,pi! Calcular pi. pi = acos(-1.0) 26

27 ! Abrir archivo de salida. open(10,file= seno.dat )! Loop desde 0 hasta 2*pi en 100 pasos. do i=0,100! Calcular x entre 0 y 2*pi, y su seno. x = 2.0*pi*real(i)/100.0 s = sin(x)! Escribir al archivo. end do write(10, (2f10.4) ) x,s! Cerrar archivo. close(10) end program seno 10. Subprogramas En muchas ocasiones existen tareas que se deben realizar muchas veces durante la ejecución de un código, por lo que resulta conveniente que sean subprogramas en si mismos. La existencia de subprogramas también hace que un código sea más modular, y permite que diferentes personas programes diferentes partes de un mismo código. Los diversos subprogramas pueden ser parte de un mismo archivo, o estar en archivos separados que se unen durante el proceso de compilación. Si están en un mismo archivo, deben aparecer después de la linea que termina el programa principal. En FORTRAN 90 hay tres tipos básicos de subprogramas: funciones, subrutinas y módulos. Consideraremos cada uno de ellos por separado. 27

28 10.1. Funciones Así como existen funciones intrínsecas en FORTRAN (sin, cos, etc.), también es posible definir funciones nuevas de una o más variables. El objetivo de una función es obtener un número a partir de los argumentos. Al igual que el programa principal, una función comienza por su nombre function nombre. Al final de la función deben aparecer los comandos return seguido de end function nombre, esto regresa el control al programa principal. La función es una unidad autónoma, por lo que debe declarar todas las variables que utiliza, incluyendo el nombre de la función y los argumentos. Es muy importante que los argumentos de la función sean del mismo tipo cuando se llama la función y en la función misma, de otra forma habrá errores al ejecutar el código. El nombre de la función debe declarase en el programa principal y cualquier subprograma que la llame. Ejemplo: Programa distancia.! Programa principal. program distancia! Declarar variables. implicit none integer i,j real x,y,r real radio! Abrir archivo de salida. open(10,file= radio.dat )! Loop en dos dimensiones. do i=1,10 do j=1,10! Coordenadas en el plano. 28

29 x = real(i) y = real(j)! Calcular distancia al origen llamado a funcion "radio". r = radio(x,y)! Escribir a archivo. end do end do write(10, (3f10.3) ) x,y,r! Cerrar archivo. close(10) end program distancia! Funcion "radio". function radio(x,y)! Declarar variables. implicit none real radio,x,y! Calcular distancia al origen. radio = sqrt(x**2 + y**2)! Terminar funcion. 29

30 return end function radio Subrutinas Una subrutina es similar a una función, pero más complicada, de la que no solo se espera un número, sino toda una secuencia de operaciones que pueden requerir regresar muchos números al programa principal (o ninguno). Las subrutinas se llaman usando el comando call nombre. Igual que las funciones, las subrutinas comienzan por su nombre subroutine nombre y terminar con los comandos return y end subroutine nombre. También son unidades autónomas que deben declarar todas las variables que utilizan, incluyendo a sus argumentos. A diferencia de las funciones, el nombre de una subrutina no tiene un tipo (el nombre de las funciones si tiene un tipo pues corresponde al valor de regreso). Una característica importante de las subrutinas es que cuando se pasa un arreglo como uno de sus argumentos, no es necesario dar el tamaño. Se puede pasar el tamaño como un argumento, digamos N, y simplemente declarar el arreglo como real, dimension(n) :: nombre. Algo similar sucede con los variable de tipo character que se pueden declarar con dimensión indeterminada usando * cuando son parte de los argumentos de la subrutina, de manera que heredan el tamaño que tenían el en programa que llamo a la subrutina. Ejemplo: Programa rutinas.! Programa rutinas program rutinas! Declarar variables. implicit none integer i,j,n real radio real, dimension(10,10) :: r,x,y! Abrir archivo de salida. open(10,file= radio.dat ) 30

31 ! Loop en dos dimensiones. N = 10 do i=1,n do j=1,n! Coordenadas en el plano. x(i,j) = real(i) y(i,j) = real(j)! Calcular distancia al origen llamado a funcion "radio". end do end do r(i,j) = radio(x(i,j),y(i,j))! Llamar subrutina "escribir". call escribir(n,r,x,y)! Cerrar archivo. close(10) end program rutinas! Funcion "radio". function radio(x,y)! Declarar variables. implicit none 31

32 real radio,x,y! Calcular distancia al origen. radio = sqrt(x**2 + y**2)! Terminar funcion. return end function radio! Subrutina "escribir". subroutine escribir(n,r,x,y)! Declarar variables y arreglos. implicit none integer i,j,n real, dimension(n,n) :: r,x,y! Abrir archivo. open(10,file= distancia2.dat )! Loop de dos dimensiones para escribir a archivo. do i=1,n do j=1,n write(10, (3f10.3) ) x(i,j),y(i,j),r(i,j) end do end do! Cerrar archivo. 32

33 close(10)! Terminar subrutina. return end subroutine escribir Módulos El último tipo de subprogramas son los módulos que solo existen a partir de FORTRAN 90. Los módulos sirven para declarar variables que se usan en muchos subprogramas, o para agrupar muchos subprogramas en una sola unidad. Los módulos comienzan por su nombre module nombre y terminan con end module nombre (en los módulos no se utiliza el comando return). A diferencia de las funciones y subrutinas, si el módulo está en el mismo archivo que el programa principal, debe estar antes que este. Cualquier subprograma que haga uso del módulo debe hacerlo mediante el comando use nombre inmediatamente después del nombre del subprograma. El uso más común de los módulos es para declarar variables que van a ser utilizadas por muchos subprogramas. Ejemplo: Programa usamodulos! Modulo "constantes". module constantes! Declarar parametros. implicit none real, parameter :: pi= , ee= ! Termina modulo. end module constantes! Programa principal 33

34 program usamodulos! Usar modulo "constantes". use constantes! Declarar variables. implicit none real radio,area real ee2! Definir radio y calcular area y ee2. radio = 10.0 area = pi*radio**2 ee2 = ee**2! Escribir resultados a pantalla., El area de un circulo de radio,radio, es,area, El cuadrado el numero de Euler es,ee2! Termina programa. end program usamodulos 34